CN107268347A - 道岔模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁道岔技术，具体涉及道岔模型。该道岔模型为闭环结构，优选“8”字型，可进一步由“8”字形组合排列，形成其他结构。包含一个以上道岔，且其永磁轨道采用Halbach阵列；在道岔处设置电磁铁。本发明采用闭环结构，磁浮车可以在该道岔轨道的轨道上实现连续的闭环运行，方便研究磁浮车连续通过道岔时的悬浮特性和导向特性等稳定性问题。另一方面，永磁轨道采用Halbach阵列，通过最少永磁体用量产生最强磁场的轨道排列方式，由于Halbach的特殊结构，可把大部分磁力线聚集在轨道上方，将尽可能多的磁通量汇集到车体悬浮气隙中。

Description

道岔模型

技术领域

本发明涉及电磁道岔技术，具体涉及道岔模型。

背景技术

目前关于高温超导磁浮车道岔模型的研究较少，“A turnout switch for thesuperconductively levitated transport system SupraTrans”的文章对其“Y”字形电磁道岔模型进行了简要介绍，该模型的永磁轨道阵列为传统单峰型永磁阵列。

现有“Y”字形道岔模型的永磁轨道阵列为传统单峰型阵列，传统单峰型阵列在早期高温超导磁浮车轨道系统应用较为广泛，该阵列次磁场的排列示意图及其磁场分布图如图1所示，其磁力线均匀对称的分布在磁轨上下表面，然而磁浮车往往只能利用永磁轨道一面的磁场，单峰磁轨另一面的磁场完全浪费。

该“Y”字形道岔模型不能验证磁浮车的连续通过能力，较难模拟工程运用过程的实际情况，因此不容易开展当车载块材在长时间运行且连续通过电磁场(道岔处)后其悬浮性能和导向性能的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种道岔模型，以解决提供道岔处必须的均匀连续磁场，且，电磁道岔连续工作时的稳定性研究难的问题。

本发明专利涉及一种道岔模型，其为闭环结构，包含一个以上道岔，且其永磁轨道采用Halbach阵列；在道岔处设置电磁铁。

在一些实施例中，优选为，所述闭环结构包括：一个以上的“8”字型结构，所有所述“8”字型结构按预设方式排列。

在一些实施例中，优选为，所述电磁铁包括：铁芯和线圈，所述铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个线圈，四个线圈连接；靠左的两个分支上的线圈的通电方向和靠右的两个分支上的线圈通电方向不同；

靠左的两个分支上的线圈通电方向相同；靠右的两个分支上的线圈通电方向相同。

在一些实施例中，优选为，所述的道岔模型还包括直线电机，所述直线电机设置于至少一个所述道岔上至少一个分叉连接的永磁轨道上。

在一些实施例中，优选为，所述道岔呈“Y”字型，所述直线电机设置于“Y”左右两个分叉连接的永磁轨道上。

在一些实施例中，优选为，所述的道岔模型还包括：至少一个停车电磁线圈，所述停车电磁线圈设置于停车点上。

在一些实施例中，优选为，所述的道岔模型还包括：多个位置传感器，道岔的主干和分支与永磁轨道的连接点上均设置所述传感器。

在一些实施例中，优选为，所述直线电机的两端均设置所述传感器。

在一些实施例中，优选为，所述传感器为红外对射传感器，在永磁轨道两侧布置的两个所述传感器为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端。

在一些实施例中，优选为，所述的道岔模型还包括控制器，所述控制器与所述传感器、所述直线电机相连。

本发明实施例提供的道岔模型，采用闭环结构，磁浮车可以在该道岔轨道的轨道上实现连续的闭环运行，方便研究磁浮车连续通过道岔时的悬浮特性和导向特性等稳定性问题。另一方面，永磁轨道采用Halbach阵列，通过最少永磁体用量产生最强磁场的轨道排列方式，由于Halbach的特殊结构，可把大部分磁力线聚集在轨道上方，将尽可能多的磁通量汇集到车体悬浮气隙中。而且沿轨道运行方向形成连续均匀的磁场分布。

附图说明

图1为现有技术中传统单峰阵列及其磁场分布示意图；

图2为本发明中Halbach型阵列及其磁场分布示意图；

图3为本发明“8”字型道岔模型的结构示意图；

图4为本发明三个“8”字型道岔模型的结构示意图(ABCD为四个电磁铁)；

图5为本发明四个“8”字型道岔模型的结构示意图(ABCDEF为六个电磁铁)；

图6为图3的电磁道岔处排列示意图；

图7为图3中电磁铁与永磁轨道结构示意图；

图8为道岔模型的工作流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

现有电磁道岔模型通常采用“Y”字形电磁道岔模型，永磁轨道阵列为传统单峰型阵列，出现磁场浪费的现象，且，悬浮车经过后无法对悬浮性能和导向性能进行研究的问题。为此，本发明提供了一种道岔模型。

下面通过基础方案、扩展方案、替换方案等对其进行详细描述：

一种道岔模型，其为闭环结构，包含一个以上道岔，且其永磁轨道采用Halbach阵列；在道岔处设置电磁铁。

由于本技术中道岔处采用电磁铁，电磁铁和永磁体有一定的差异性，需要对连续通过电磁道岔后车载块材的悬浮特性和导向特性进行研究。“闭环结构”能够促使悬浮车在道岔模型上连续运行，提供悬浮车长时间通过道岔模型的运行环境，方便研究其悬浮特性和导向性能。沿轨道运行方向整体形成连续的均匀磁场。

在该闭环结构中可以任意设置闭环形式，比如一个道岔模型中可以借助道岔的数量和设置位置形成多种样式的闭环，比如：以“8”字型为一个单元，按照不同的规则进行排列，如图3、4、5所示，其中图4中ABCD为四个电磁铁；图5中ABCDEF为六个电磁铁。

另外，道岔可以一分二、一分三、一分四或者更多，本实施例中以一分二，以一个“8”字型的道岔为例进行说明。在其他的实施例中，可以根据下文的描述在适当的位置设置各种传感器、直线电机等。

在本技术中永磁轨道采用Halbach阵列，Halbach阵列可通过最少永磁体用量产生最强磁场的轨道排列方式。其优势主要表现在结构的聚磁效应上：由于Halbach的特殊结构，可把大部分磁力线聚集在轨道上方，将尽可能多的磁通量汇集到车体悬浮气隙中，图2即为其排列方式和磁场分布方式。据计算每米Halbach型永磁轨道的悬浮效率可达单峰型永磁轨道的2.85倍，但其成本仅为单峰型永磁轨道的38％。，基于Halbach阵列的永磁轨道，在保证磁浮车平稳运行的同时降低了成本。

在道岔中电磁铁1包括：铁芯和线圈，铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个线圈，四个线圈连接；靠左的两个分支上的线圈的通电方向和靠右的两个分支上的线圈通电方向不同；靠左的两个分支上的线圈通电方向相同；靠右的两个分支上的线圈通电方向相同。该铁芯的特殊结构，左右分支的铁芯分别汇集成两个磁极，一方面将磁场有效引导至磁极，形成在某个转辙方向上的均匀磁场，另一方面，相对三个磁极的设计来说减少了生产成本。采用多个线圈以产生更大磁通密度。

对现有传统单峰型永磁轨道电磁道岔用电磁铁中铁芯的拐角处设计不合理，现有的铁芯拐角处为直角，容易产生漏磁。而漏磁现象使得增大轨道表面磁通密度更加困难。对其进行改进，在电磁铁的铁芯拐角处设计钝角并倒角，减小漏磁通，增大了电磁铁产生的磁通密度。

鉴于电磁道岔用电磁铁的特殊性，该电磁铁采用具有高饱和磁感应强度和高磁导率的铁钴合金，线圈采用铜线圈，进一步增大电磁铁所产生的磁通密度。

电磁铁垂直于分岔处永磁轨道2，电磁道岔用电磁铁的磁极嵌入永磁轨道内，磁极A和磁极B处于分岔处的中心位置，二者之间相间一块永磁体大小的空隙。在Y字型轨道中，通过在电磁铁的线圈中通入不同方向的电流，形成在某个特定方向的均匀磁通密度，引导磁悬浮列车朝该方向转辙，永磁轨道采用钕铁硼永磁体，为Halbach型永磁轨道，具有极强的聚磁能力，是迄今为止能通过最少永磁体用量产生最强磁场的轨道排列方式。

考虑到悬浮车需要在道岔模型上连续运行，道岔模型上还设置了直线电机，直线电机设置于至少一个道岔上至少一个分叉连接的永磁轨道上。可以通过直线电机实现磁浮车的驱动、加速和减速等自动控制。

此外，磁浮车悬浮于永磁轨道上，当直线电机驱动其运行时，只受到空气阻力和轨道磁场不均匀的影响。当采用直线电机减速停车时，只能实现缓慢停车，停车位置不固定。为达到定点停车的目的，在轨道上设置了一个以上的停车点及停车电磁线圈，停车电磁线圈设置于停车点上。在磁浮车到达停车点前给相应的电磁线圈通电进而产生磁场，磁浮车到达停车点时车顶上的停车传感器，又称停车感应板(小铁片)受磁场吸引实现定点停车。

基于当前采用的“Y”字形道岔模型不能实现电磁道岔的自动控制，不能实时监测磁浮车的运行位置进而控制道岔用电磁铁及直线电机的启停。出于保证电磁铁和直线电机安全工作、节约能源等原因，电磁铁和直线电机应该在小车即将通过道岔时开始通电。为此，还包括：多个位置传感器，道岔的主干和分支与永磁轨道的连接点上均设置传感器。

道岔主干和分支可以理解为从一个主干分出多个分支，当然在其他的实施例中也可以将主干和分支交换，没有明确的主干或分支，线路之间的分支关系相似，该分支关系，即对一条线路在整个道岔中的位置来说，既可以理解为主干，也可以理解为分支。

其中位置传感器可以为红外对射传感器，其作为磁浮车运行状态检测单元，实时监测磁浮车的运行位置，利用其检测到的悬浮车位置有效的控制电磁铁的通电情况。当磁浮车将要经过道岔部位时，才给电磁铁通电，实现磁浮车的换向；磁浮车未经过传感器时，电磁铁断电。这种间歇供电方式，可以有效避免电磁铁因持续通电造成的严重发热进而降低自身特性的问题，同时达到节省电能的目的。

为了充分发挥位置传感器的作用，可以在道岔上的每个分支设置，也可以在直线电机两旁设置。比如：道岔呈“Y”字型，直线电机设置于“Y”左右两个分叉连接的永磁轨道上。且，传感器为红外对射传感器，在永磁轨道两侧布置的两个传感器为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端。

为了有效进行数据采集及数据处理和常规控制，该道岔模型的控制器与传感器、直线电机相连。

基于上述的各种方案，下面以“8”字形道岔模型为例，进行举例说明：

如图3所示，图中阴影部分Ea和Eb是用于实现磁浮车道岔的电磁铁。当磁浮车经过道岔时，只需要改变电磁铁线圈中的电流方向，即可完成磁浮车左转和右转道岔。“8”字形道岔模型中，关键道岔位置处的排列如图6所示，其具体结构示意图如图7所示。当黑色方框中标注的三块磁体按照图6中1a的排列时，左侧弯道每排5块磁体的排列规则符合Halbach阵列的要求，在左侧弯道方向上形成分布均匀的磁通密度，此时磁浮车可以顺利地向左转入岔道B。类似地，当红色方框中标注的三块永磁体按图6中1b排列时，右侧弯道每排5块磁体的排列规则符合Halbach阵列的要求，在右侧弯道向上形成分布均匀的磁通密度，此时磁浮车可以顺利地向右转入岔道C。在磁浮轨道两侧布置有9组红外对射传感器(如图3中T1-T9所示，轨道两侧相对位置的两个为一组传感器，一边为发射端，另一端为接收端)，用于实时监测磁浮车的运行位置，在轨道直线位置处安装有两个直线电机(如图3中LM1和LM2所示)，直线电机高架于轨道上方，磁浮车以过隧道的方式通过，此外该模型还安装有定点停车电磁线圈S1和S2。

本专利提出的“8”字形磁浮车道岔模型，采用51系列单片机作为微型控制器，采用红外对射传感器作为磁浮车检测源，通过单片机控制电磁铁电流方向，设计出道岔控制系统；同时通过单片机经由变频器间接控制直线电机。

图3中，直线电机1(LM1)可以驱动磁浮车沿a→b(或b→a)的方向运行；直线电机2(LM2)可以驱动磁浮车沿c→d(或d→c)的方向运行。道岔A(Ta)可以让磁浮车沿x→z(或z→x)运行，称为左转弯，也可以让磁浮车沿y→z(或z→y)运行，称为右转弯。道岔B(Tb)可以让磁浮车沿r→q(或q→r)运行，称为左转弯，也可以让磁浮车沿r→p(或p→r)运行，称为右转弯。T1至T9是9个位置传感器(红外发射/接收对管),S1和S2是两个停车位置。

本道岔模型的工作过程为：

通过3位微动开关编出8个码字，它们表示微型磁浮车不同的运行路线，如表1所示。目前只使用了6个编码(000～101)，表示磁浮车的6种运行路线。另外两个编码(110和111)作为停机码。当设置这两个码字时，系统停机，磁浮车不运行。

表1磁浮车运行路线编码表

下面以“8”字形顺时针运行方式为例，说明该运行方式的控制方法。如图8所示，磁浮车从轨道最左侧的直道出发，当传感器T1检测到磁浮车经过时，启动直线电机1(LM1)，驱动磁浮车沿a->b运行，当传感器T2检测到磁浮车经过时，关闭直线电机1(LM1)，设置道岔A(Ta)沿x->z转弯，给电磁铁A(Ea)供电，使得磁浮车顺利进入模型中部的直轨道；当传感器T3检测到磁浮车经过时，关闭道岔A(Ta)电源，设置道岔B(Tb)沿r->q转弯，给电磁铁B(Eb)供电，使得磁浮车顺利进入轨道右半部分；此后，磁浮车经过传感器T6，当传感器T6检测到磁浮车经过时，关闭电磁铁B(Eb)的电源。磁浮车经过传感器T8，当T8检测到磁浮车经过时，启动直线电机2(LM2)，驱动磁浮车沿d->c方向运行，当传感器T9检测到磁浮车经过时，关闭LM2，设置道岔A(Ta)沿y->z转弯，给电磁铁A供电。当传感器T3检测到磁浮车经过时，关闭电磁铁A(Ea)的电源，设置道岔B(Tb)沿r->p转弯，给电磁铁B(Eb)供电，当传感器T4检测到磁浮车经过时，关闭电磁铁B的电源。这样磁浮车就完成了一次“8”字形顺时针运行模型。其他运行方式与此相同不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种道岔模型，其特征在于，为闭环结构，包含一个以上道岔，且其永磁轨道采用Halbach阵列；在道岔处设置电磁铁。

2.如权利要求1所述的道岔模型，其特征在于，所述闭环结构包括：一个以上的“8”字型结构，所有所述“8”字型结构按预设方式排列。

3.如权利要求1所述的道岔模型，其特征在于，所述电磁铁包括：铁芯和线圈，所述铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个线圈，四个线圈连接；靠左的两个分支上的线圈的通电方向和靠右的两个分支上的线圈通电方向不同；

靠左的两个分支上的线圈通电方向相同；靠右的两个分支上的线圈通电方向相同。

4.如权利要求1-3任一项所述的道岔模型，其特征在于，还包括直线电机，所述直线电机设置于至少一个所述道岔上至少一个分叉连接的永磁轨道上。

5.如权利要求4所述的道岔模型，其特征在于，所述道岔呈“Y”字型，所述直线电机设置于“Y”左右两个分叉连接的永磁轨道上。

6.如权利要求5所述的道岔模型，其特征在于，还包括：至少一个停车电磁线圈，所述停车电磁线圈设置于停车点上。

7.如权利要求5所述的道岔模型，其特征在于，还包括：多个位置传感器，道岔的主干和分支与永磁轨道的连接点上均设置所述位置传感器。

8.如权利要求7所述的道岔模型，其特征在于，所述直线电机的两端均设置所述位置传感器。

9.如权利要求8所述的道岔模型，其特征在于，所述位置传感器为红外对射传感器，在永磁轨道两侧布置的两个所述传感器为一组，其中一个为发射端，另一个为接收端。

10.如权利要求9所述的道岔模型，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述传感器、所述直线电机相连。